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Title

Modeling and applications of through-the-earth magnetic field propagation 

AuthorsAyuso, Natalia
AdvisorVillarroel, José Luis; Lera, F.
Issue Date2010
PublisherUniversidad de Zaragoza
AbstractLa propagación de los campos electromagnéticos a través de la tierra es fundamental en aplicaciones subterráneas como localización, comunicaciones de emergencia en entornos confinados como minas o cuevas, y el uso de métodos electromagnéticos en geofísica. Los modelos clásicos de propagación tradicionalmente utilizados en este tipo de aplicaciones son el espacio libre, infinito disipativo, semi-espacio infinito y estratificado para medios lineales, homogéneos e isótropos horizontalmente estratificados. Desde principios del siglo XX se conocen estudios sobre la propagación de los campos electromagnéticos en presencia de un medio conductor, sin embargo, la investigación estuvo muy condicionada por la capacidad de cómputo debido a que las soluciones en integrales de Sommerfeld son difíciles de evaluar. Además, las investigaciones se centraron en formular sólo unos casos de interés y como resultado, no se disponía de una formulación que pudiera ser utilizada en un caso general. Por otro lado, la validación de las expresiones y su evaluación había sido escasa y más aún, prácticamente no existían estudios experimentales que analizaran la exactitud de estos modelos con la realidad. Esto último queda justificado por la dificultad de acometer las pruebas de campo necesarias. En este contexto, la presente tesis ha dado como resultado una formulación general para los modelos de propagación antes indicados para un dipolo magnético en posición vertical y horizontal. Así, se han derivado las soluciones correspondientes a una fuente con orientación arbitraria o un interfaz inclinado. Las expresiones han sido programadas en MATLAB y se ha desarrollado un algoritmo que permite su evaluación numérica de forma precisa y eficiente en un computador de sobremesa. Todo ello ha sido validado exhaustivamente mediante el uso del Método de Elementos Finitos (FEM) y experimentalmente en escenarios reales. Este estudio ha permitido determinar la bondad de los modelos analíticos y FEM para un escenario complejo y la influencia del relieve y de la conductividad eléctrica del suelo. Con esta base, la parte de aplicación de la tesis se ha centrado en mejorar las técnicas de localización subterránea y búsqueda de víctimas de avalanchas de nieve mediante dispositivos electromagnéticos conocidos como ARVAs. Así, se ha mejorado la precisión del método de localización subterránea clásico basado en la medida de la dirección de los nulos del campo magnético para establecer la posición en superficie de un dipolo magnético vertical enterrado. El modelo de propagación semi-espacio infinito ha permitido analizar los errores debidos a la inclinación del interfaz tierra-aire y de la fuente. Como resultado se ha establecido la influencia de ambos en la precisión de la localización y se ha indicado una metodología para minimizar el error. Por otro lado, se ha modelado experimentalmente el error debido a la incertidumbre en la medida de la dirección de los nulos del campo magnético como una distribución Gaussiana.
Además, se ha propuesto una nueva técnica para sistematizar el proceso de localización y minimizar el error, así como establecer la incertidumbre del resultado. Dicha técnica está basada en el uso de aparatos topográficos de alta precisión y de técnicas de estimación. El método propuesto ha sido validado en una situación real. Finalmente, los modelos de propagación se han aplicado a las técnicas de búsqueda con ARVAs. Dicho método está basado en las propiedades del campo magnético en la zona de campo próximo. Mediante simulaciones, se ha analizado la validez de dicha aproximación y se han determinado los modelos de propagación más adecuados para esta aplicación. Además, se han cuantificado los errores en los métodos actuales debidos a la inclinación del emisor y a su profundidad. Por último, se han realizado diversas propuestas para mejorar los sistemas de búsqueda existentes.
URIhttp://hdl.handle.net/10261/121513
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